莲两生态型自然居群全基因组DNA甲基化变异模式比较研究

The heritable epigenetic variation among natural populations could affect the processes of adaptation and divergence, thus influence the course of evolution in species. But little is known of the origin and its evolutionary significance of the epigenetic variation in natural population. In order to reveal the mechanism of epigenetic variation in response to various environments in natural populations of non-model species, we will use the two distinct ecotypes, temperate and tropical lotus (Nulembo nucifera) as a model system. In this study, using the Whole-Genome Bisulfite Sequencing technique and basing on the species-wide sampling of the two ecotypes, we study the patterns of epigenetic variation in natural populations, disentangle the epigenetic from genetic variations, identify the genomic context of the epigenetic variants that are significantly associated with the climate variables, to reveal the role of natural selection in shaping the epigenetic divergence between these two ecotypes. The insights gained in this study will not only enrich our knowledge on the mechanism of adaptive evolution of the sacred lotus, but also provide some baseline data for the utilization of wild resources and genetic breeding of this economic important crop.

物种的自然居群可遗传的表观遗传变异能影响其适应与分化，进而对物种的进化过程产生重要影响。然而，目前关于自然居群表观遗传变异的发生机制及其进化意义却依然知之甚少。莲两生态型（热带莲和温带莲）具有独特的地理分布及显著的表型分化，是研究非模式植物自然居群适应不同环境的表观遗传学机制的良好材料。本项目拟对世界分布范围内莲两生态型的自然居群代表植物材料进行全基因组甲基化测序，研究自然居群的DNA甲基化变异模式并区分遗传变异和表观遗传变异的相对贡献；鉴定基因组中与环境因子显著关联的表观遗传修饰位点和相应的功能基因，揭示自然选择在莲两生态型的形成及表观遗传分化过程中的作用，为我们更全面、深入理解该物种的生态适应性及进化的表观遗传学机制提供基础资料，也为该重要经济植物野生资源的挖掘利用及遗传育种提供理论指导。

对于非模式植物而言，目前对其自然居群表观遗传变异的发生机制及其进化意义仍知之甚少。本项目组对重要经济水生植物莲两生态型（热带莲和温带莲）世界分布范围内自然居群进行了广泛的取样并进行了全基因组DNA甲基化测序，深入开展了莲生态型间表观遗传变异研究。经过两年的取样及室内实验分析，本课题组已基本按照计划完成所定的内容，同时根据研究结果情况适时对实验中出现的新的情况进行了安排：（1）对来自7个国家的莲两生态型的自然居群代表材料开展了全基因组DNA甲基化测序工作，初步揭示了其表观遗传变异的地理分布模式；（2）开展了莲属植物不同生态型立叶和地下茎的DNA甲基化特征、模式及表观遗传调控研究，发现CG类型DNA甲基化在莲生态型分化中贡献最大；温带莲地下茎的DNA甲基化水平显著高于热带莲；另外发现启动子区域的差异甲基化显著促进了莲两生态型地下茎组织基因表达模式的改变；证实了DNA甲基化通过调控关键代谢通路参与了莲生态型的分化；（3）开展了莲两生态型间6甲基腺嘌呤在基因组水平的差异以及6甲基腺嘌呤对莲属植物两生态型分化的贡献研究，发现温带莲基因组中的6mA水平要高于热带莲，通过进一步的比较分析，我们发现在本项目所测的五个基因组中6mA富集在基因区能促进其表达，同时高表达基因的基因区内6mA的水平明显高于低表达基因，为理解莲不同生态型间的差异提供了重要依据；（4）开展了莲基因组古多倍化后DNA甲基化对复制基因命运的决定作用研究，发现多倍化后迅速还原单拷贝的基因具有最高的基因区域甲基化水平，主要为一些管家基因；基因组加倍遗留的复制基因启动子区域甲基化程度最低，为理解被子植物基因组进化提供了新的视野。